CECHOWANIE TERMOPARY I TERMISTORA

Transkrypt

1 INSYU ELEKRONIKI I SYSEMÓW SEROWANIA WYDZIAŁ ELEKRYCZNY POLIECHNIKA CZĘSOCHOWSKA LAORAORIUM FIZYKI ĆWICZENIE NR E-6 CECHOWANIE ERMOPARY I ERMISORA

2 I. Zagadnienia do przestudiowania 1. Stosowane aktualnie skale temperatur.. ermopara, termistor (zasada działania, rodzaje). 3. Zasada pomiaru temperatury termometrami elektrycznymi z przetwornikami termoelektrycznymi. 4. Właściwości dynamiczne przetworników termometrycznych - pojęcie stałej czasowej. II. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest: wyskalowanie wybranej termopary oraz czujnika rezystancyjnego Pt100 w stopniach Celsjusza. Poznanie sposobów pomiaru temperatury za pomocą termometrów elektrycznych, wyznaczenie ich charakterystyk statycznych i dynamicznych, poznanie skal termometrycznych. III. Zasada pomiaru W ćwiczeniu wykonywany jest pomiar temperatury termometrze za pomocą multimetru cyfrowego obiektu w postaci bloku metalowego, który jest stopniowo ogrzewany. Co 1 stopień Celsjusza [ C] wykonuję się odczyt napięcia na termoparze odpowiadający danej temperaturze oraz odczyt rezystancji w przypadku termistora. W ten sposób otrzymuje się charakterystykę statyczną zmian napięcia czy rezystancji w funkcji temperatury dla badanego elementu. W celu wyznaczenia charakterystyki dynamicznej rozgrzewa się blok metalowy do określonej temp. np. 100 C, a następnie umieszcza się w nim wystudzone wcześniej czujniki, po czym co kilka sekund wykonuje się odczyt napięcia lub rezystancji lub korzysta się z opcji automatycznej rejestracji w multimetrze. Czynność tą można wykonać odwrotnie czyli wyjmując czujnik z rozgrzanego elementu dokonuje się odczyty odpowiednich parametrów podczas studzenia. IV. Wprowadzenie teoretyczne Jak wiadomo, jednym z najistotniejszych parametrów stanu każdej materii jest jej temperatura. Spełnia ona istotną rolę pozytywną bądź negatywną w niemal wszystkich procesach technologicznych i produkcyjnych. Względy te sprawiają, iż pomiar temperatury i jej kontrola są zadaniem bardzo często niezbędnym. Zadanie to, mimo swej powszechności i częstości dokonywania, należy do trudnych, gdyż uwarunkowane jest naturą zjawiska, które nazywa się ciepłem. Stwierdzenie zmian objętości płynów pod wpływem temperatury było podstawą pierwszych definicji skal temperatury. emperaturę na ogół wyraża się w stopniach skali względnej lub bezwzględnej. Stosowane skale: Celsjusza ( C), Fahrenheita ( F) i Reauműra zalicza się do skal względnych. Natomiast skala Kelvina, zwana jest skalą bezwzględną lub termodynamiczną; zaprezentowana została przez W. homsona (Lorda Kelvina) w 1848 r. Skala ta jest oparta na odwracalnym obiegu termodynamicznym Carnota. Przyjmując pewną określoną wartość temperatury, np.: punktu potrójnego wody, można określić skalę temperatur. Na Konferencji Miar i Wag w Genewie w 1954 r. ustalono dla tego punktu wartość 73,16 K, tzn. przyjęto jeden stopień skali termodynamicznej jako równy 1/73,16 różnicy temperatur pomiędzy punktem potrójnym wody a zerem bezwzględnym. Punktem zerowym tej skali jest temperatura zera bezwzględnego (73,16 K), a wartość stopnia Kelvina jest równa stopniowi Celsjusza. Jej punkty podstawowe to: +73,16 K - temperatura zamarzania i +373,16 K - temperatura wrzenia chemicznie czystej wody.

3 Skala Celsjusza, zw. także skalą stustopniową, została zaproponowana w 174 r. przez A. Celsjusza przy założeniu, że punktem zerowym skali jest temperatura wrzenia wody, a punktem odpowiadającym 100 C jest temperatura zamarzania wody, i podzieleniu całego zakresu na 100 równych części (działek). Następnie M. Strőmer w 1850 r. odwrócił te wartości i opisał skalę stustopniową stosowaną powszechnie dalej w czasach nowożytnych. Aktualnie obowiązuje Międzynarodowa Praktyczna Skala emperatur z 1968 r., która jest ostatnią modyfikacją pierwszej MPS przyjętej w 1948 r. przez IX Generalną Konferencję Miar w Paryżu. Skala MPS-68 wiąże temperaturę w stopniach Kelvina [K] z temperaturą t w stopniach Celsjusza [ C] następującą zależnością: t = 73,16 [ C] (1) Różnicę temperatur wyraża się w stopniach Kelvina [K] lub stopniach Celsjusza [ C]. Stopień Kelvina [K] należy do jednostek podstawowych Międzynarodowego Układu Jednostek (SI). Funkcjonowanie ich oparte jest na wykorzystaniu zależności rezystancji metali i półprzewodników od temperatury, które przetwarzane są w odpowiednich elektrycznych układach pomiarowych na sygnał elektryczny. Rodzaj przewodności elektrycznej decyduje o charakterze funkcji Rt = f(t). Metale odznaczają się przewodnością elektronową, toteż funkcję tę przedstawia się, z dostatecznym przybliżeniem, w postaci: gdzie: R t [ + ( t t ) + β ( t t ) + ( t ) ] 3 = R α γ () 1 t α [ C 1 ] - temperaturowy współczynnik rezystancji (dla metali α > 0), β i γ << α współczynniki empiryczne, R - rezystancja sensora w temperaturze początkowej (np. t = 0 C). Właściwości metali najczęściej stosowanych do budowy sensorów termorezystancyjnych zawiera tabela 1. abela 1. Parametry materiałów termorezystancyjnych Materiał emperaturowy zakres zastosowań typowy, C graniczny, C Rezystywność R Ω m R 100 Platyna (0,10 0,11) ,385 1,391 Nikiel (0,09 0,11) ,617 Miedź (0,017 0,018) ,45 Sensory niklowe i miedziane są na ogół mniej dokładne niż platynowe. Charakterystyka sensora niklowego jest nieco nieliniowa, zaś charakterystyki sensorów z miedzi i platyny są liniowe w szerokim zakresie, przy czym powtarzalność sensora platynowego jest lepsza 3

4 niż miedzianego. Dla półprzewodników o przewodności akceptorowo ( dziurowo ) - elektronowej zależność ich rezystancji od temperatury jest ekspotencjalna: w której: R = A exp (3) A - stała zależna od właściwości fizycznych półprzewodnika oraz jego wymiarów, - stała materiałowa, wyrażająca czułość temperaturową danego termistora w całym zakresie temperatur pracy [K], - temperatura w skali bezwzględnej (Kelvina). Zależność (3) można napisać w postaci stosowanej praktycznie: 1 1 R = R exp (4) 1 w której Ro oznacza rezystancję termistora w temperaturze początkowej, np. 0 C. Przy oziębianiu półprzewodników do temperatury zera bezwzględnego stają się one izolatorami. Ich przewodnictwo bardzo silnie zależy od temperatury. Liczba elektronów w paśmie przewodzenia szybko wzrasta przy ogrzewaniu. Jeśli E jest różnicą energii pomiędzy pasmem przewodzenia i pasmem walencyjnym, to prawdopodobieństwo P tego, że w ciągu jednostki czasu energia równa szerokości przerwy energetycznej stanie się dostępna dla któregoś z elektronów w paśmie walencyjnym jest proporcjonalna do E czynnika exp, gdzie k oznacza stałą oltzmanna. k Dla termistorów, czyli półprzewodników będących tlenkami metali poddanych odpowiedniej obróbce (np. dwutlenek tytanu io, tlenek niklu NiO) w niezbyt dużym zakresie temperatur przewodność termistorów opasaną równaniem (3), czyli opór termistora można zapisać również jako: Po zlogarytmowaniu równania (8) otrzymamy E R = A exp (5) k E ln R = ln A + = ln A + (5) k W układzie współrzędnych ( 1, lnr) wykresem zależności (5) jest linia prosta o nachyleniu = E/k. emperaturowy współczynnik zmiany oporu termistora wynosi: α = dr R d = (7) 4

5 Zazwyczaj podaje się wartość tego współczynnika w temperaturze pokojowej, np. α300. Wyznaczenie współczynnika daje możliwość wyznaczenia szerokości przerwy energetycznej: E= k (8) Energie podajemy w J (dżulach) i ev (elektronowoltach). Z zależności (7) wynika, że współczynnik α, a tym samym czułość termistora maleje ze wzrostem temperatury. Wartości α w temperaturze 0 C zawierają się w zakresie od 3 do 6 [%/K]. Zależności rezystancji sensorów termometrycznych (Cu100 i Pt100) od temperatury są znormalizowane (odpowiednio normy PN-83/M-5385 i PN-EN A; 1997) w postaci: charakterystyk R = f(t), równań i tablic. Przykładowe przebiegi R = f(t) dla sensorów: platynowego i termistorowego przedstawia rys Rys. 1. Charakterystyki R t = f(t) Stopy (np.: Ni i Fe) oraz inne metale stosowane są tylko wyjątkowo. Rezystancyjny termometr platynowy przyjęto w zakresie temperatur od 18,97 C (tzw. punkt tlenu) do +630,5 C (tzw. punkt antymonu) jako narzędzie interpolacji Między-narodowej Praktycznej Skali emperatur. Stosując odpowiednie metody pomiaru rezystancji (układy mostkowe, metody kompensacyjne), można osiągnąć błąd pomiaru mniejszy od 0,001 C. W pomiarach technicznych rezystancyjny termometr platynowy umożliwia także osiąganie dużej dokładności. Koniecznym warunkiem jest tu wysoka czystość platyny, wyrażona kryterium: R 100 C R 0 C 1,385 (9) W zamkniętym obwodzie elektrycznym składającym się z połączonych szeregowo dwóch metali lub półprzewodników, gdy miejsca ich styków znajdują się w różnych 5

6 temperaturach powstaje różnica potencjałów, zwana siłą termoelektryczną lub siłą elektromotoryczną Seebecka. Obwód taki nazywamy ogniwem termoelektrycznym lub termoelementem lub termoparą. Zjawisko to można wytłumaczyć na podstawie elektronowej budowy materii. Koncentracja elektronów swobodnych N (czyli liczba elektronów w jednostce objętości) jest różna w różnych metalach i zależy od temperatury. Na styku dwóch metali A i (patrz rys. ) elektrony przechodzą z metalu o większej koncentracji do metalu o mniejszej koncentracji, na skutek czego jeden z metali ładuje się dodatnio a drugi ujemnie. Powstaje różnica potencjału, która utrudnia dalszy przepływ ładunku. Jest to tzw. kontaktowa różnica potencjałów lub inaczej napięcie kontaktowe UA, które zależy od struktury elektronowej obu stykających się metali i od temperatury złącza: U A k N A = ln (10) e N w którym: - temperatura bezwzględna [K], e = 1, [C] - ładunek elektronu, k = 1, [J/K] - stała oltzmanna, NA, N - koncentracja swobodnych nośników ładunku [m 3 ]. Rys.. ermoelement: 1 - gorące złącze (pomiarowe), - - zimne końce (odniesienia) W obwodzie zamkniętym złożonym z dwóch różnych metali, w którym temperatury złącz są jednakowe, napięcie UA powstające na jednym złączu jest kompensowane przez napięcie UA na drugim złączu i w obwodzie prąd nie płynie. Jeżeli temperatury obu złącz są różne (1 ) wówczas napięcie UA jest różne od UA i w obwodzie pojawia się siła termoelektryczna U powodująca przepływ prądu: k U U U ( ) N = = A A A 1 ln e N (11) W przypadku metali (przewodników), w których koncentracja elektronów jest stała i niezależna od temperatury, równanie (11) można sprowadzić do postaci: 6

7 ( ) U = α (1) 1 gdzie: α oznacza tzw. współczynnik termoelektryczny termopary i wyraża się w mv/k lub µv/k. Równacie (1) jest słuszne dla metali, natomiast dla półprzewodników ze względu na silną zależność koncentracji ładunków od temperatury nie jest spełnione. Siła elektromotoryczna dla półprzewodników nie jest bowiem liniowa funkcja temperatury, a współczynnik α nie jest wielkością stałą dla danej pary półprzewodników, ale jest zależny od temperatury. V. Zestaw pomiarowy Rys. 3. Schemat blokowy stanowiska laboratoryjnego: G e - grzejnik elektryczny, R Pt - sensor Pt100, R pp - sensor półprzewodnikowy, P d - miernik temperatury Panid, A - przewody kompensacyjne, P M - przetwornik nr multimetru Metex M-3850, G - blok grzewczy g, Mm - multimetr Mx, Sp - system pomiarowy Metex M IM PC VI. Przebieg ćwiczenia 1. Zapoznać się z aparaturą pomiarową zgromadzoną na stanowisku laboratoryjnym, po czym dokonać identyfikacji: - termometru elektrycznego w zestawie: sensor rezystancyjny (platynowy Pt100) i - termometru elektrycznego w zestawie: sensor rezystancyjny półprzewodnikowy (termistor) 7

8 . Zestawić i uruchomić układy pomiarowe na stanowisku laboratoryjnym według schematu przedstawionego na rysunku Wyznaczyć charakterystyki statyczne sensorów Pt100 R(1-) i NiCr-NiSi U(1-) umieszczonych w odpowiednich otworach bloku G podgrzewanego grzejnikiem elektrycznym Ge. Pomiary temperatury 1 rejestrować co 5 C, a oznacza temperaturę otoczenia. Do kontroli przebiegu temperatury bloku służy zestaw Panid z sensorem Rpp lub dowolnie inny termometr wzorcowy. Wyniki pomiarów zanotować odpowiednio w tabelach 1 i. 4. Wyznaczyć charakterystyki dynamiczne ww. sensorów Pt100 i NiCr-NiSi metodą wymuszenia w postaci skoku jednostkowego realizowanego poprzez ich wyjęcie z otworów w bloku G nagrzanym np. do 1 = 90 C. Mierzyć zmieniające się (malejące) wartości odpowiednio RPt100 i UNiCr-NiSi w funkcji czasu (np. co 0 s) aż do ich schłodzenia do temperatury otoczenia (np. ~0 C). Wyniki zanotować w tabeli 3 i 4. V. abele pomiarowe abela 1. Lp ERMOPARA NiCr-NiSi 1 1- U 1 (1- ) U [ C] [ C] [V] [ C] [ C] [V] abela. CZUJNIK REZYSANCYJNY Pt R 1 (1- ) R Lp. [ C] [ C] [Ω] [ C] [ C] [Ω] abela 3. ERMOPARA NiCr-NiSi zmiany dynamiczne t 1 1- U t 1 (1-) U Lp. [s] [ C] [V] [s] [ C] [ C] [V]

9 abela 4. CZUJNIK REZYSANCYJNY Pt100 zmiany dynamiczne t 1 1- R t 1 (1-) R Lp. [s] [ C] [ C] [Ω] [s] [ C] [ C] [Ω] VI. Opracowanie wyników 1. Dla termistora sporządzić charakterystykę lnr(1/) z zaznaczeniem niepewności pomiarowych. W tym układzie współrzędnych wykresem zależności (9) jest linia prosta, której współczynnik kierunkowy jest równy stałej materiałowej. Metodą regresji liniowej wyznaczyć wartość współczynnika, oraz jego niepewność.. Korzystając ze wzoru (5) obliczyć temperaturowy współczynnik zmiany oporu termistora α dla temperatury pokojowej tzn. =300 K oraz α z zależności: α 300 = α + 3. Zapisać wartość α300 z uwzględnieniem niepewności pomiarowej i zgodnie z zasadą zaokrąglania wyników oraz określić względną niepewność procentową współczynnika α Wyznaczyć szerokości przerwy energetycznej E korzystając ze wzoru (), przyjmując k = 1, J K 1 = 8, evk Oszacować niepewność bezwzględną ( E) korzystając ze wzoru: ( E) = E oraz przedstawić wynik wraz z bezwzględną niepewnością pomiarową zgodnie z zasadą zaokrąglania. Określić względną niepewność procentową szerokości przerwy energetycznej. 6. Dla termopary sporządzić wykres charakterystyki U(1-). Zaznaczyć na wykresie niepewności pomiarowe. 7. W przyjętym układzie współrzędnych stosownie do wzoru (9), zależność U(1-) powinna być liniowa. Metodą regresji liniowej wyznaczyć współczynniki kierunkowe a i b prostej y=ax+b oraz ich odchylenia standardowe, znajdując wartość współczynnika termoelektrycznego α badanej termopary. 8. Oszacować bezwzględną niepewność pomiarową α współczynnika termoelektrycznego równą odchyleniu standardowemu Sa. Określić względną niepewność procentową współczynnika α według wzoru: α δ α = 100% % α 9

10 9. W oparciu o otrzymane wyniki w tabelach 3 i 4 sporządzić odpowiednie charakterystyki dynamiczne zmian napięcia czy rezystancji w funkcji czasu t, tzn. U(t) oraz R(t). 10. Na podstawie uzyskanych wykresów metodą graficzną wyznaczyć stałe czasowe dla poszczególnych czujników. Literatura 1. H. Szydłowski Pracownia Fizyczna, PWN Warszawa 1973 i późn.. J. Orear Fizyka,.1 i, WN Warszawa S. Szczeniowski, Fizyka doświadczalna cz. 4, PWN R.Resnick, D.Halliday, J.Walker Podstawy fizyki. 5. J. Lech Opracowanie wyników pomiarów w laboratorium podstaw fizyki, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Wydział Inżynierii Procesowej, Materiałowej i Fizyki Stosowanej, Częstochowa